陳瑞澤

（陜煤集團神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719100）

引言

隨著科技的發(fā)展，國家煤礦安監(jiān)局提出要大力發(fā)展和推廣在煤礦井下應(yīng)用功能機器人代替人工，降低勞動風(fēng)險提高勞動效率。目前，煤礦井下皮帶巡檢應(yīng)用的機器多采用蓄電池供電，完成對設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場監(jiān)測。蓄電池作為一種化學(xué)能和電能轉(zhuǎn)換的化學(xué)電池，充放電過程伴隨著一系列的氧化還原腐蝕反應(yīng)，可釋放出大量的熱和易燃易爆的混合氣體，在地面日常生活中應(yīng)用都要格外注意安全，稍有不慎，就會引發(fā)火災(zāi)，發(fā)生爆炸事故。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，存在煤塵、瓦斯等，屬于易燃、易爆環(huán)境，對蓄電池使用有嚴格的限制。另外，皮帶巡檢機器人在蓄電池充電期間要暫停巡檢工作。

煤礦井下水泵房、變電站等巡檢機器人也陸續(xù)研制成功并開始應(yīng)用。但這些巡檢機器人智能化水平還有待提高，巡檢工作時間有限，無法達到24 h無人值守，距產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一定距離。因此，對煤礦皮帶機道，擬研發(fā)高智能化、實用性強、適合井下復(fù)雜工作環(huán)境、實現(xiàn)24 h無人值守的巡檢機器人。

1 技術(shù)方案思路

機器人系統(tǒng)，能將巡檢工從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來，而且能及時發(fā)現(xiàn)皮帶機運行過程中出現(xiàn)的問題，避免事故擴大化，大大降低了皮帶機的非正常停機時間，實現(xiàn)皮帶機保護由點監(jiān)護提升到面監(jiān)護，對煤礦安全生產(chǎn)具有十分重大的意義。因此，開發(fā)出一套井下皮帶機道自動巡檢機器人系統(tǒng)，代替巡檢工實現(xiàn)井下巷道皮帶日常巡檢工作。

設(shè)計機器人的自發(fā)電機構(gòu)裝置，并設(shè)計相應(yīng)的發(fā)電保護電路，如圖1所示。能夠?qū)⒃丛床粩嗟臋C械能轉(zhuǎn)化為機器人工作的電能，同時滿足實用性和防爆安全性要求。設(shè)計機器人具有在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定可靠的音/視頻采集、處理與無線傳輸功能以及靈活的人機交互界面，實現(xiàn)機器人本體采集的皮帶機巷道現(xiàn)場信息能夠可靠、實時上傳到地面控制室，為智能化分析提供大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。研究機器人智能化識別、處理算法，部署深度感知算法，對機器人采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行多層復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提高識別精度。部署多傳感器融合算法，減少單個傳感器信息損失。部署多個子任務(wù)模型算法，自主決策對某些特定目標的檢測流程。

圖1 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 機器人系統(tǒng)分析設(shè)計

1）根據(jù)現(xiàn)場對機器人系統(tǒng)各個部分功能進行規(guī)劃設(shè)計，經(jīng)分析研究將井下皮帶機道自動巡檢機器人系統(tǒng)分為機器人機體、數(shù)據(jù)基站、軌道動力系統(tǒng)和地面機站。機器人本體沿吊掛軌道在運輸巷道往復(fù)運行，替代皮帶巡檢工運輸巷道巡檢。巡檢機器人的傳感器，實時采集運輸巷道的音像數(shù)據(jù)、紅外熱像數(shù)據(jù)及溫度和氣體濃度等信息，完成巡檢作業(yè)。避免了傳統(tǒng)巡檢工巡檢作業(yè)無法復(fù)現(xiàn)記錄、不能準確量化等問題。巡檢機器人將音像數(shù)據(jù)通過無線基站上傳到地面存儲設(shè)備，歸類存儲。巡檢機器人在完成巡檢工日常巡檢任務(wù)的基礎(chǔ)上通過對采集的數(shù)據(jù)信息運用智能技術(shù)算法進行診斷，能夠準確判斷設(shè)備運行狀態(tài)，在數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上通過預(yù)警技術(shù)實現(xiàn)對井下運輸設(shè)備運行故障超前預(yù)判，減少故障發(fā)生。

2）巡檢機器人行走方式直接影響到運動控制系統(tǒng)的控制策略，也是巡檢機器人在煤礦井下現(xiàn)場路況環(huán)境下高精度、高穩(wěn)定性運行的重要基礎(chǔ)。巡檢機器人常用的行走方式包括輪式行走方式、履帶式行走方式和軌道式行走方式等。為了保證機器人能夠適應(yīng)煤礦井下環(huán)境，并且不對現(xiàn)場現(xiàn)有設(shè)備產(chǎn)生影響，分析研究決定采用軌道式行走方式，確保機器人能夠完成巡檢工作。

3）機器人巡檢實時采集現(xiàn)場的多種氣體濃度、設(shè)備溫度、聲音、圖像以及運行過程的避障檢測、運行速度、位置等，需設(shè)計各種傳感器完成機器人檢測，并將數(shù)據(jù)處理上傳。

4）機器人運行在井下易燃易爆的惡劣環(huán)境，需符合GB3836.1-2010《煤礦安全規(guī)程》，滿足井下安全使用要求。因此，將機器人行走機構(gòu)、數(shù)據(jù)采集傳感器、控制模塊及其他附件進行防爆設(shè)計。

5）采集數(shù)據(jù)處理分析，通過MODBUS TCP通訊協(xié)議與機器人遠程通信，實現(xiàn)實時運行數(shù)據(jù)采集控制。機器人安裝紅外熱系統(tǒng)和可見光現(xiàn)場信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像實時顯示。機器人安裝故障報警及有毒有害氣體濃度檢測設(shè)備，通過技術(shù)手段實時采集現(xiàn)場皮帶機運行狀態(tài)和運輸巷道內(nèi)有毒有害氣體濃度數(shù)據(jù)。若作業(yè)設(shè)備工作異常或運輸巷道內(nèi)有毒有害氣體濃度超標，會及時發(fā)出語音報警信號，并進行顯示分析。

3 應(yīng)用效果

3.1 經(jīng)濟效益

煤礦井下皮帶機巡檢工作繁瑣、費時費工，煤礦井下每條皮帶一班最少需要3名巡檢工，一天3班，最少需要9名巡檢工。按每人4 500/月工資計算，巡檢工的年工資為4 500元×9×12＝48 600元，操作工具及耗材費用每年約為12 000元。使用皮帶巡檢機器人降低了皮帶巡檢工人數(shù)量，減輕煤礦人工成本負擔(dān)。同時，巡檢機器人能有效對皮帶設(shè)備故障進行預(yù)判，降低了事故發(fā)生概率，經(jīng)濟效益潛能巨大。

3.2 社會效益

井下皮帶巡檢機器人運行后能減少人工成本，并與皮帶機控制系統(tǒng)及周邊設(shè)備融為一體，實現(xiàn)由點到面全方位的保護，將大幅提高生產(chǎn)效率和設(shè)備運行的安全可靠性，提升了煤礦智能化水平，對煤炭安全生具有重要的戰(zhàn)略意義。井下皮帶巡檢機器人技術(shù)先進，理論可靠，可填補本地區(qū)煤礦井下智能技術(shù)的空白，具有較高的經(jīng)濟和社會效益，推廣應(yīng)用價值高。實施風(fēng)險較小，安全可靠程度高。

4 結(jié)語

巡檢機器人代替巡檢工完成日常的巡檢任務(wù)，采用最先進的大數(shù)據(jù)智能化故障預(yù)警技術(shù)，將傳統(tǒng)依靠個人經(jīng)驗的主觀判斷，轉(zhuǎn)變?yōu)橐源髷?shù)據(jù)為基礎(chǔ)的客觀計算分析，準確、高效地完成了煤礦皮帶機的智能巡檢，降低了煤礦企業(yè)運營成本，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效益，確保了煤礦安全運行。